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JP6835913B2 - Methods and systems for self-testing MEMS inertial sensors - Google Patents
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JP6835913B2 - Methods and systems for self-testing MEMS inertial sensors - Google Patents

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Description

本出願に記載される技術は、微小電気機械システム(microelectromechanical system、MEMS)慣性センサに関する。 The technique described in this application relates to a microelectromechanical system (MEMS) inertial sensor.

慣性センサは、1つ以上の加速度計および/またはジャイロスコープを使用して運動、力、角速度、および/または他の量を測定および報告する電子デバイスである。MEMSジャイロスコープは、彼らジャイロスコープの共振質量が角運動を経るときに生じるコリオリ力によって引き起こされる加速度を感知することによって角運動を検出するように構成され得る。MEMS加速度計は、直線および/または角加速度を感知するように構成され得る。 An inertial sensor is an electronic device that uses one or more accelerometers and / or gyroscopes to measure and report motion, force, angular velocity, and / or other quantities. MEMS gyroscopes may be configured to detect angular motion by sensing the acceleration caused by the Coriolis force generated as the resonant mass of the gyroscope undergoes angular motion. The MEMS accelerometer can be configured to sense linear and / or angular acceleration.

本開示の一態様は、微小電気機械システム(MEMS)慣性センサの自己試験のための技法に関する。いくつかのこのような技法は、加速度計の加速度に対する感度およびジャイロスコープの角運動に対する感度などの慣性センサの特性を試験することを伴う。試験は、加速度または角速度などの刺激を模擬する試験信号をMEMS慣性センサに提供すること、およびセンサの出力を吟味することによって遂行され得る。このような自己試験の有効性は、センサの環境内に存在し得、センサの出力に影響を与え得るスプリアス信号によって損なわれ得る。それゆえに、本明細書に記載の自己試験技法は、このようなスプリアス信号の存在を検出すること、およびそれらの存在が検出されたとき自己試験結果を破棄することを伴う。いくつかの実施形態では、スプリアス信号の存在は、MEMS慣性センサの応答を、試験信号と実質的に直交する基準信号と混合することによって得られた信号を使用することによって検出され得る。 One aspect of the disclosure relates to a technique for self-testing a microelectromechanical system (MEMS) inertial sensor. Some such techniques involve testing the properties of the inertial sensor, such as the sensitivity of the accelerometer to acceleration and the sensitivity of the gyroscope to angular motion. The test can be performed by providing the MEMS inertial sensor with a test signal that simulates a stimulus such as acceleration or angular velocity, and by examining the output of the sensor. The effectiveness of such self-testing can be compromised by spurious signals that can be present in the sensor environment and can affect the output of the sensor. Therefore, the self-testing techniques described herein involve detecting the presence of such spurious signals and discarding the self-test results when their presence is detected. In some embodiments, the presence of a spurious signal can be detected by using a signal obtained by mixing the response of the MEMS inertial sensor with a reference signal that is substantially orthogonal to the test signal.

本開示の別の態様は、微小電気機械システム(MEMS)慣性センサを試験するためのシステムに関する。システムは、試験信号を使用してMEMS慣性センサを刺激するように構成された信号発生器と、試験回路であって、試験信号に応答して同相基準信号をMEMS慣性センサから得られた応答信号と混合することによって同相応答信号を生成し、応答信号を直交基準信号と混合することによって直交応答信号を生成し、直交応答信号に基づいて同相応答信号がMEMS慣性センサの特性を評価するために使用されるべきか判定し、同相応答信号がMEMS慣性センサの特性を評価するために使用されるべきであると判定された場合、同相応答信号を使用してMEMS慣性センサの特性を評価するように構成された、試験回路と、を備え得る。 Another aspect of the disclosure relates to a system for testing a microelectromechanical system (MEMS) inertial sensor. The system consists of a signal generator configured to stimulate the MEMS inertial sensor using the test signal and a test circuit, a response signal obtained from the MEMS inertial sensor with an in-phase reference signal in response to the test signal. To generate an in-phase response signal by mixing with, generate an orthogonal response signal by mixing the response signal with an orthogonal reference signal, and the in-phase response signal to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor based on the orthogonal response signal. If it is determined that it should be used and the in-phase response signal should be used to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor, then the in-phase response signal should be used to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor. It may be equipped with a test circuit configured in.

本開示の別の態様は、微小電気機械システム(MEMS)慣性センサを試験するための方法に関する。方法は、試験信号を使用してMEMS慣性センサを刺激することと、刺激に応答してMEMS慣性センサから応答信号を受信することと、応答信号および同相基準信号を使用して同相応答信号を生成することと、応答信号および直交基準信号を使用して直交応答信号を生成することと、直交応答信号に基づいて同相応答信号がMEMS慣性センサの特性を評価するために使用されるべきか判定することと、同相応答信号がMEMS慣性センサの特性を評価するために使用されるべきであると判定された場合、同相応答信号を使用してMEMS慣性センサの特性を評価することと、を含み得る。 Another aspect of the disclosure relates to a method for testing a microelectromechanical system (MEMS) inertial sensor. The method is to stimulate the MEMS inertial sensor using a test signal, to receive a response signal from the MEMS inertial sensor in response to the stimulus, and to generate an in-phase response signal using the response signal and the in-phase reference signal. To generate an orthogonal response signal using the response signal and the orthogonal reference signal, and to determine whether the in-phase response signal should be used to characterize the MEMS inertial sensor based on the orthogonal response signal. It may include using the in-phase response signal to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor if it is determined that the in-phase response signal should be used to characterize the MEMS inertial sensor. ..

本開示の別の態様は、微小電気機械システム(MEMS)慣性センサを試験するためのシステムに関する。システムは、MEMS慣性センサと、試験回路であって、試験信号を使用してMEMS慣性センサを刺激し、刺激に応答してMEMS慣性信号から応答信号を受信し、応答信号および同相基準信号を使用して同相応答信号を生成し、応答信号および直交基準信号を使用して直交応答信号を生成し、直交応答信号に基づいて同相応答信号がMEMS慣性センサの特性を評価するために使用されるべきか判定し、同相応答信号がMEMS慣性センサの特性を評価するために使用されるべきであると判定された場合、同相応答信号を使用してMEMS慣性センサの特性を評価するように構成された、試験回路と、を備え得る。 Another aspect of the disclosure relates to a system for testing a microelectromechanical system (MEMS) inertial sensor. The system is a MEMS inertial sensor and a test circuit that uses the test signal to stimulate the MEMS inertial sensor, receives a response signal from the MEMS inertial signal in response to the stimulus, and uses the response signal and the in-phase reference signal. The in-phase response signal should be generated using the response signal and the orthogonal reference signal to generate the orthogonal response signal, and the in-phase response signal should be used to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor based on the orthogonal response signal. If it is determined that the in-phase response signal should be used to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor, the in-phase response signal is configured to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor. , With a test circuit.

本出願の様々な態様および実施形態を、以下の図を参照して説明する。図は必ずしも縮尺一定で描かれていないことが理解されるべきである。複数の図に登場する品目は、それが登場する全ての図において同じ参照番号で示されている。
本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態による、MEMS慣性センサを試験するための例示的なシステムを示すブロック図である。 本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態による、図1の例示的なシステムを使用して試験され得る例示的なMEMS加速度計の概略図である。 本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態による、図1の例示的なシステムを使用して試験され得る例示的なMEMSジャイロスコープの概略図である。 本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態による、MEMS慣性センサを試験するための例示的な方法の流れ図である。 本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態による、図1の例示的なシステム内で共に使用され得る例示的な応答分析器のブロック図である。 本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態による、図4の例示的な応答分析器が、試験信号の印加に応答してMEMS慣性センサの出力をどのように処理し得るかを示す表である。
Various aspects and embodiments of the present application will be described with reference to the following figures. It should be understood that the figures are not necessarily drawn at constant scale. Items that appear in multiple figures are indicated by the same reference number in all figures in which they appear.
FIG. 6 is a block diagram illustrating an exemplary system for testing a MEMS inertial sensor according to some embodiments of the techniques described herein. FIG. 6 is a schematic representation of an exemplary MEMS accelerometer that can be tested using the exemplary system of FIG. 1 according to some embodiments of the techniques described herein. FIG. 6 is a schematic representation of an exemplary MEMS gyroscope that can be tested using the exemplary system of FIG. 1 according to some embodiments of the techniques described herein. FIG. 6 is a flow diagram of an exemplary method for testing a MEMS inertial sensor according to some embodiments of the techniques described herein. FIG. 6 is a block diagram of an exemplary response analyzer that can be used together within the exemplary system of FIG. 1 according to some embodiments of the techniques described herein. A table showing how an exemplary response analyzer of FIG. 4 can process the output of a MEMS inertial sensor in response to application of a test signal, according to some embodiments of the techniques described herein. Is.

自己試験は、電子機器がその仕様に従って動作しているか、またはその動作が予想される動作から逸脱しているかを評価するためにエレクトロニクスで使用される技法であり、逸脱は、機器を修理または交換することによって対処される必要があり得る機器の問題を示すことがある。自己試験の重要な利点は、電子機器が設置および/または配備された後で、製造後にかつ製造業者の非制御下で、ならびにことによるとその通常動作を途絶させる必要すらなしに、遂行することができることである。 Self-testing is a technique used in electronics to assess whether an electronic device is operating according to its specifications or deviating from its expected behavior, and deviation is the repair or replacement of the device. May indicate equipment problems that may need to be addressed by doing so. An important advantage of self-testing is that it is performed after the electronic device has been installed and / or deployed, after manufacture and under the control of the manufacturer, and possibly without even the need to disrupt its normal operation. Is what you can do.

MEMS慣性センサは、設置および/または配備された後に自己試験され得る電子機器の一例である。加速度計およびジャイロスコープなどのMEMS慣性センサは、微細加工技法を使用して製作されたデバイスである。こうしたデバイスは、その機械的性質のため、大きな温度変動、圧力変化、および/または大きな機械的振動などの外的環境条件に敏感であり、これらは、性能の低下をもたらし得、部分的または全体的な交換を含む定期保守を必要とし得る。自己試験は、MEMS部品の保守および交換が遂行されるべきか、ならびにいつ遂行されるべきか判定するための効果的な技法である。 A MEMS inertial sensor is an example of an electronic device that can be self-tested after it has been installed and / or deployed. MEMS inertial sensors such as accelerometers and gyroscopes are devices manufactured using microfabrication techniques. Due to their mechanical nature, these devices are sensitive to external environmental conditions such as large temperature fluctuations, pressure changes, and / or large mechanical vibrations, which can result in poor performance, partial or total. May require regular maintenance, including replacement. Self-testing is an effective technique for determining when and when maintenance and replacement of MEMS components should be performed.

本発明者は、MEMS慣性センサは環境雑音および/または他のスプリアス信号の存在による影響を被りやすいため、MEMS慣性センサの自己試験を行うための従来の技法は改善の余地があることを認識した。特に、本発明者は、MEMS慣性センサの自己試験に従来使用される回路では、システム内の雑音の存在(この場合、修理は必要ではない)から、MEMS慣性センサの貧弱な性能(これは、修理または交換が必要であることを示すことがある)を見分ける能力が限定されていることを認識した。結果として、従来の自己試験技法は偽の警告をもたらし、それにより、MEMS慣性センサは、現実には問題が存在しなくても不満足な性能であるとしてフラグ付けされ得る。例えば、自動車に装着されたMEMS加速度計の試験は、運転者が試験中に警音器を鳴らすと、偽の警告を発し得る。運転者が警音器を鳴らすと、MEMS加速度計によって測定されるべき加速度として不用意に解釈され得る音響振動が引き起こされる。結果として、自動車内のMEMS加速度計の出力は警音器の振動を反映し得、これが自己試験サイクル中に発生すると、MEMS加速度計の出力は、予想される挙動からの逸脱のため、MEMSデバイスの問題を示すとして誤って解釈され得る。 The inventor has recognized that conventional techniques for self-testing MEMS inertial sensors can be improved because MEMS inertial sensors are susceptible to the presence of environmental noise and / or other spurious signals. .. In particular, the inventor of the present invention has poor performance of the MEMS inertial sensor due to the presence of noise in the system (in this case, no repair is required) in the circuits conventionally used for self-testing the MEMS inertial sensor. Recognized that the ability to discern (which may indicate that repair or replacement is needed) is limited. As a result, conventional self-testing techniques result in false warnings, which can cause MEMS inertial sensors to be flagged as unsatisfactory performance in the absence of real problems. For example, a test of a MEMS accelerometer mounted on a car can give a false warning if the driver sounds a bell during the test. When the driver sounds the alarm, it causes acoustic vibration that can be inadvertently interpreted as the acceleration to be measured by the MEMS accelerometer. As a result, the output of the MEMS accelerometer in the car can reflect the vibration of the alarm, and if this occurs during the self-test cycle, the output of the MEMS accelerometer will deviate from the expected behavior, so the MEMS device Can be misinterpreted as indicating the problem of.

本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態は、従来の自己試験技法の上述の問題を低減または排除する、MEMS慣性センサの自己試験を行うための技法およびシステムに関する。具体的には、いくつかの実施形態は、試験の結果が雑音または他のスプリアス信号の存在によって歪曲されているか判定するための技法に関する。試験の結果を歪曲し得る著しいスプリアス信号が存在すると判定されると、その試験の結果は破棄され得る。 Some embodiments of the techniques described herein relate to techniques and systems for performing self-testing of MEMS inertial sensors that reduce or eliminate the above-mentioned problems of conventional self-testing techniques. Specifically, some embodiments relate to techniques for determining if the test results are distorted by the presence of noise or other spurious signals. If it is determined that there is a significant spurious signal that can distort the test results, the test results can be discarded.

いくつかの実施形態では、試験の正確性に著しい影響を与え得るスプリアス信号の存在は、試験信号で励起されたとき、MEMS慣性センサが、予想される試験信号応答と直交する(またはそれと無相関な)非軽微な信号で応答するか判定することによって、検出され得る。静寂条件下では、例えば、スプリアス信号が存在しない理想的なシナリオでは、MEMS慣性センサは、予想される試験信号応答と直交する応答信号を発するべきではない。したがって、以下でさらに詳細に説明するように、慣性センサの出力が当該の直交または無相関信号を検出するために復調されると、その結果は、実質的にゼロに等しい応答をもたらし得る。したがって、非軽微な直交応答信号の存在は、著しいスプリアス信号が存在するしるしとして解釈され得る。この場合、試験回路は、試験の結果は破棄されるべきであるとユーザに通知してもよく、または直交応答信号が消失もしくは所定閾値より低く低下するまで単純に待機してもよい。本明細書に記載の種類の試験信号は、試験対象のMEMS慣性センサがそれらを機械的刺激として、例えば加速度および/または角運動として知覚するように構成されてもよい。 In some embodiments, the presence of a spurious signal, which can significantly affect the accuracy of the test, causes the MEMS inertial sensor to be orthogonal to (or uncorrelated with) the expected test signal response when excited by the test signal. It can be detected by determining whether to respond with a non-minor signal. Under quiet conditions, for example, in an ideal scenario where there is no spurious signal, the MEMS inertial sensor should not emit a response signal that is orthogonal to the expected test signal response. Therefore, as described in more detail below, when the output of the inertial sensor is demodulated to detect the orthogonal or uncorrelated signal, the result can result in a response that is substantially equal to zero. Therefore, the presence of a non-minor orthogonal response signal can be interpreted as a sign that a significant spurious signal is present. In this case, the test circuit may notify the user that the test results should be discarded, or may simply wait until the orthogonal response signal disappears or drops below a predetermined threshold. The types of test signals described herein may be configured such that the MEMS inertial sensors under test perceive them as mechanical stimuli, such as acceleration and / or angular motion.

著しいスプリアス信号が存在しないと判定された場合、試験の結果は正確と考えることができる。例えば、試験の結果が、加速度計の加速度に対する感度が不満足なものであることを示す場合、ユーザは、加速度計の感度が実際に不満足なものであると相対的に確信し得る。いくつかの実施形態では、MEMS慣性センサの特性が申し分ないものであるか、したがってMEMS慣性センサがその特性に関して適切に機能しているか判定することは、試験信号で励起されたとき、MEMS慣性センサが、予想される値に十分に近い試験信号と同相の信号で応答するか判定することを含んでもよい。本明細書に記載の技法を使用して評価され得る特性の例としては、MEMS慣性センサの加速度または角運動に対する感度が挙げられるが、これらに限定されない。 If it is determined that there is no significant spurious signal, the test results can be considered accurate. For example, if the test results show that the accelerometer's sensitivity to acceleration is unsatisfactory, the user can be relatively convinced that the accelerometer's sensitivity is actually unsatisfactory. In some embodiments, determining whether the characteristics of the MEMS inertial sensor are satisfactory and therefore that the MEMS inertial sensor is functioning properly with respect to that characteristic is to determine when the MEMS inertial sensor is excited by the test signal. May include determining whether to respond with a signal in phase with the test signal that is close enough to the expected value. Examples of properties that can be evaluated using the techniques described herein include, but are not limited to, the sensitivity of the MEMS inertial sensor to acceleration or angular motion.

図1は、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態による、MEMS慣性センサの自己試験を行うための例示的なシステムのブロック図である。図1のシステムは、MEMS慣性センサ100、ノッチフィルタ121、および試験回路104を含む。MEMS慣性センサが人間の介入なしに、または単純にユーザからの要求なしに試験され得るように、試験回路104は、MEMS慣性センサ100の自己試験を行うように構成されてもよい。自己試験システムであるので、いくつかの実施形態では、MEMS慣性センサ100は、システム全体がMEMS慣性センサの動作性能を試験し得るように、試験回路104と共に配備されてもよい。いくつかの実施形態では、試験回路104は、ユーザからの入力なしに1回以上の所定時に試験を自動的に遂行するように構成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、試験回路104は、定期的に、かつ/またはステジュールに従ってMEMS慣性センサ100を試験するように構成されてもよい。他の実施形態では、試験回路104は、ユーザの要求に応答してMEMS慣性センサ100を試験するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、試験回路104は、MEMS慣性センサ100を、その通常動作を中断させずに試験するように構成されてもよい(例えば、MEMSジャイロスコープが角運動を検出している間、またはMEMS加速度計が加速度を検出しているときに)。追加的または代替的に、試験回路104は、MEMS慣性センサの通常動作が停止された1回以上の期間中にMEMS慣性センサ100を試験するように構成されてもよい。 FIG. 1 is a block diagram of an exemplary system for self-testing a MEMS inertial sensor according to some embodiments of the techniques described herein. The system of FIG. 1 includes a MEMS inertial sensor 100, a notch filter 121, and a test circuit 104. The test circuit 104 may be configured to self-test the MEMS inertial sensor 100 so that the MEMS inertial sensor can be tested without human intervention or simply without the user's request. Being a self-testing system, in some embodiments, the MEMS inertial sensor 100 may be deployed with the test circuit 104 so that the entire system can test the operating performance of the MEMS inertial sensor. In some embodiments, the test circuit 104 may be configured to automatically perform the test at one or more predetermined times without input from the user. For example, in some embodiments, the test circuit 104 may be configured to test the MEMS inertial sensor 100 on a regular basis and / or according to a schedule. In other embodiments, the test circuit 104 may be configured to test the MEMS inertial sensor 100 in response to a user request. In some embodiments, the test circuit 104 may be configured to test the MEMS inertial sensor 100 without interrupting its normal operation (eg, while the MEMS gyroscope is detecting angular motion). , Or when the MEMS accelerometer is detecting acceleration). Additional or alternative, the test circuit 104 may be configured to test the MEMS inertial sensor 100 during one or more periods during which the normal operation of the MEMS inertial sensor is stopped.

いくつかの実施形態では、MEMS慣性センサ100は、1つ以上の加速度計および/または1つ以上のジャイロスコープを含むがこれらに限定されない任意の好適な種類の微細加工センサを含んでもよい。MEMS慣性センサ100が1つ以上の加速度計を含む実施形態のいくつかでは、加速度計(複数可)は、1、2、もしくは3方向の直線加速度および/または1、2、もしくは3軸を中心とする角加速度を検出するように設計されてもよい。加速度計は、加速度に応答して運動する(例えば、移動、旋回、および/または回転)ように構成された1つ以上のプルーフマス、ならびにプルーフマス(複数可)の運動を感知するためのセンサ(例えば、静電容量センサ)を含んでもよい。 In some embodiments, the MEMS inertial sensor 100 may include any suitable type of microfabrication sensor including, but not limited to, one or more accelerometers and / or one or more gyroscopes. In some of the embodiments where the MEMS inertial sensor 100 includes one or more accelerometers, the accelerometers (s) are centered on linear accelerations in 1, 2, or 3 directions and / or 1, 2, or 3 axes. It may be designed to detect the angular acceleration. An accelerometer is a sensor for detecting the movement of one or more proof masses, and the proof masses (s), which are configured to move in response to acceleration (eg, move, turn, and / or rotate). (For example, a capacitance sensor) may be included.

本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態による、MEMS慣性センサ100に含め得る加速度計の一例を図2Aに示す。例示的な加速度計240は面外直線加速度を感知するように構成されているが、全ての実施形態がこの点で限定されているわけではない。加速度計240は、アンカ252を介して基礎をなす基板242に接続されたプルーフマス250を含む。加速度計は、基礎をなす基板の上面上に形成された電極254をさらに含む。プルーフマス250(これは、少なくとも部分的に導電性材料から作製され得る)と共に、電極254は、静電容量センサを形成する。加速度計が、基板242の上面に向かう方向の加速度(ラベル「A」)に供されると、プルーフマス250は、応答して、アンカを中心として旋回する。結果として、プルーフマス250と電極254との間の距離が変化し、静電容量センサの静電容量を変化させる。加速度Aの大きさは、静電容量の変化に基づいて判定され得る。 FIG. 2A shows an example of an accelerometer that can be included in the MEMS inertial sensor 100 according to some embodiments of the techniques described herein. Although the exemplary accelerometer 240 is configured to sense out-of-plane linear acceleration, not all embodiments are limited in this regard. The accelerometer 240 includes a proof mass 250 connected to the underlying substrate 242 via an anchor 252. The accelerometer further includes an electrode 254 formed on the top surface of the underlying substrate. Together with the proof mass 250, which can be made of at least partially conductive material, the electrode 254 forms a capacitance sensor. When the accelerometer is subjected to acceleration in the direction towards the top surface of the substrate 242 (label "A"), the proof mass 250 responds and swivels around the anchor. As a result, the distance between the proof mass 250 and the electrode 254 changes, changing the capacitance of the capacitance sensor. The magnitude of the acceleration A can be determined based on the change in capacitance.

1つ以上のジャイロスコープがMEMS慣性センサ100に含まれる実施形態のいくつかでは、ジャイロスコープ(複数可)はと、1、2、または3軸を中心とする角運動速度を検出するように構成されてもよい。これらの実施形態では、駆動回路が、ジャイロスコープ(複数可)の動作を制御するために使用されてもよい。例えば、駆動回路は、ジャイロスコープの共振器を駆動するように配備された駆動信号をジャイロスコープに提供してもよい。いくつかの実施形態では、駆動信号は、ジャイロスコープのプルーフマスの1方向(例えば、x軸)への揺動を駆動してもよい。ジャイロスコープがある軸(例えば、x軸)を中心とする角運動を経るとき、プルーフマスは、別の方向(例えば、y軸)に運動してもよい。角運動は、この運動に基づいて検出されてもよい(例えば、プルーフマスが運動した範囲に基づいて)。 In some of the embodiments in which one or more gyroscopes are included in the MEMS inertial sensor 100, the gyroscope (s) are configured to detect angular motion velocities around one, two, or three axes. May be done. In these embodiments, the drive circuit may be used to control the operation of the gyroscope (s). For example, the drive circuit may provide the gyroscope with a drive signal that is arranged to drive the resonator of the gyroscope. In some embodiments, the drive signal may drive the gyroscope's proof mass to swing in one direction (eg, the x-axis). When the gyroscope undergoes an angular motion about one axis (eg, the x-axis), the proof mass may move in another direction (eg, the y-axis). Angular motion may be detected based on this motion (eg, based on the range of motion of the proof mass).

MEMS慣性センサ100に含め得る例示的なジャイロスコープを図2Bに示す。この例では、ジャイロスコープ200は、x軸に平行な方向に共振し、y軸に平行な方向のコリオリ力を検出するように構成されている。本明細書に記載の種類のジャイロスコープはいかなる特定の共振または検出の方向にも限定されないことが理解されるべきである。 An exemplary gyroscope that can be included in the MEMS inertial sensor 100 is shown in FIG. 2B. In this example, the gyroscope 200 is configured to resonate in a direction parallel to the x-axis and detect a Coriolis force in a direction parallel to the y-axis. It should be understood that the types of gyroscopes described herein are not limited to any particular resonance or detection direction.

いくつかの実施形態では、ジャイロスコープ200は、固定フレーム210(アンカ214を介して基礎をなす基板に定着されている)、プルーフマス202、および固定電極220を含む。プルーフマス202は、カプラ212を介して固定フレーム210に弾性連結されている。カプラ212は従順であってもよく、したがってプルーフマス202の固定フレーム210に対する運動を可能にする。この例では、プルーフマス202は、ジャイロスコープの共振器として機能している。それゆえに、駆動信号(駆動回路によって提供される)が、プルーフマス202に連結された1つ以上の電極(図2Bに示さず)に印加されると、プルーフマス202は、x軸方向に揺動する。 In some embodiments, the gyroscope 200 includes a fixed frame 210 (fixed to the underlying substrate via an anchor 214), a proof mass 202, and a fixed electrode 220. The proof mass 202 is elastically connected to the fixed frame 210 via a coupler 212. The coupler 212 may be obedient and thus allows the proof mass 202 to move relative to the fixed frame 210. In this example, the proof mass 202 functions as a resonator of the gyroscope. Therefore, when a drive signal (provided by the drive circuit) is applied to one or more electrodes (not shown in FIG. 2B) connected to the proof mass 202, the proof mass 202 rocks in the x-axis direction. Move.

いくつかの実施形態では、プルーフマス202は、それぞれの固定電極220を有する複数の感知キャパシタを形成する、複数の自由端ビーム222を含む。感知キャパシタの静電容量は、プルーフマスのy軸方向への加速度によって変動する。ジャイロスコープ200がx軸を中心とする角運動に供され、プルーフマス202が(駆動回路によって生成された駆動信号によって)x軸に沿って揺動するように駆動されると、y軸に沿ったコリオリ力が生じ、プルーフマスはy軸に沿って運動する。角運動速度は、y軸に沿ったプルーフマス202の加速度を検出することによって判定することができる。 In some embodiments, the proof mass 202 comprises a plurality of free end beams 222 forming a plurality of sensing capacitors having their respective fixed electrodes 220. The capacitance of the sensing capacitor varies depending on the acceleration of the proof mass in the y-axis direction. When the gyroscope 200 is subjected to angular motion about the x-axis and the proof mass 202 is driven to swing along the x-axis (by a drive signal generated by the drive circuit), it is along the y-axis. A Coriolis force is generated, and the proof mass moves along the y-axis. The angular motion velocity can be determined by detecting the acceleration of the proof mass 202 along the y-axis.

図1を再び参照すると、エンドユーザは、加速度および/または角運動に応答してMEMS慣性センサ100によって生成された信号を受信してもよい。例えば、応答信号は、電極254とプルーフマス250との間に形成されたキャパシタの静電容量変動に応答して生成されてもよく(図2A)、または応答信号は、センサ204によって経験されたコリオリ力に応答して生成されてもよい(図2B)。以下でさらに説明するように、MEMS慣性センサ100の出力は、ノッチフィルタ121を使用してフィルタ処理されてもよい。 With reference to FIG. 1 again, the end user may receive the signal generated by the MEMS inertial sensor 100 in response to acceleration and / or angular motion. For example, the response signal may be generated in response to capacitance fluctuations of the capacitor formed between the electrode 254 and the proof mass 250 (FIG. 2A), or the response signal was experienced by sensor 204. It may be generated in response to the Coriolis force (Fig. 2B). As further described below, the output of the MEMS inertial sensor 100 may be filtered using a notch filter 121.

いくつかの実施形態では、試験回路104は、MEMS慣性センサ100の動作特性を試験するように配備されてもよい。例えば、試験回路104は、MEMS慣性センサ100に印加されるべき試験信号を生成し、MEMS慣性センサ100がどのように応答するかを判定するように構成されてもよく、その応答に基づいてMEMS慣性センサ100が適切に動作しているか判定する。試験信号は、加速度および/または角運動の存在を擬態してもよい。例えば、図2Aの加速度計に関連して、試験回路104は、静電力トランスデューサ101を使用して静電引力または斥力によってプルーフマス250を運動させてもよい。図2Bに関連して、試験回路104は、y軸に沿ってプルーフマス202を運動させるように試験信号を印加し、コリオリ力の存在を模擬してもよい。 In some embodiments, the test circuit 104 may be deployed to test the operating characteristics of the MEMS inertial sensor 100. For example, the test circuit 104 may be configured to generate a test signal to be applied to the MEMS inertial sensor 100 and determine how the MEMS inertial sensor 100 responds, based on the response. It is determined whether the inertial sensor 100 is operating properly. The test signal may mimic the presence of acceleration and / or angular motion. For example, in connection with the accelerometer of FIG. 2A, the test circuit 104 may use an electrostatic transducer 101 to move the proof mass 250 by electrostatic attraction or repulsion. In connection with FIG. 2B, the test circuit 104 may apply a test signal to move the proof mass 202 along the y-axis to simulate the presence of Coriolis force.

図1に示すように、試験回路104は、信号発生器110、加算器111、同相信号発生器112、直交信号発生器114、混合器116および118、ならびに応答分析器122を含む。信号発生器110は、試験信号を生成するように構成されている。いくつかの実施形態では、信号発生器110は、試験信号として、周期的方形波もしくは正弦波などの周期波形、または疑似乱数列を出力するように構成されてもよい。周期波形の基本周波数をfと呼ぶ。いくつかの実施形態では、fは500Hzまたは1KHzであってもよいが、応用はいかなる特定の周波数にも限定されない。例えば、fは、250Hz〜2KHz、250Hz〜1.5KHz、500HzHz〜1KHz、250Hz〜750Hz、またはこのような範囲内の任意の範囲であってもよい As shown in FIG. 1, the test circuit 104 includes a signal generator 110, an adder 111, an in-phase signal generator 112, an orthogonal signal generator 114, mixers 116 and 118, and a response analyzer 122. The signal generator 110 is configured to generate a test signal. In some embodiments, the signal generator 110 may be configured to output as a test signal a periodic waveform such as a periodic square wave or sine wave, or a sequence of pseudo-random numbers. The fundamental frequency of the periodic waveform is referred to as f 1. In some embodiments, f 1 may be 500 Hz or 1 KHz, but the application is not limited to any particular frequency. For example, f 1 may be 250 Hz to 2 KHz, 250 Hz to 1.5 KHz, 500 Hz Hz to 1 KHz, 250 Hz to 750 Hz, or any range within such a range.

試験信号は、静電力トランスデューサ101を介して機械的刺激に変換されてもよく、これは、例えば加速度計プルーフマス250および作動電極254の両端に電圧を印加することによって、実装され得る。静電力トランスデューサ101の出力は、例えば加算器111を使用して、(加速度および/または角運動などの)測定されるべき慣性力と組み合わせてもよい。組み合わせた力は、入力として慣性センサ100に提供されてもよい。 The test signal may be converted into a mechanical stimulus via the electrostatic transducer 101, which can be implemented, for example, by applying a voltage across the accelerometer proof mass 250 and the working electrode 254. The output of the electrostatic force transducer 101 may be combined with an inertial force to be measured (such as acceleration and / or angular motion), for example using an adder 111. The combined force may be provided to the inertial sensor 100 as an input.

いくつかの状況では、試験回路104は、MEMS慣性センサ100がいかなる外的慣性力にも供されていないときに、MEMS慣性センサ100の動作を試験してもよい。他の状況では、試験回路104は、MEMS慣性センサ100が慣性力に供されているときに、MEMS慣性センサ100の動作を試験してもよい。いずれにせよ、応答信号は、試験信号、慣性力、雑音もしくは他のスプリアス信号、またはそれらの任意の組み合わせのいずれかにかかわらず、受信した入力に対するMEMS慣性センサの応答を表す。 In some situations, the test circuit 104 may test the operation of the MEMS inertial sensor 100 when the MEMS inertial sensor 100 is not subjected to any external inertial force. In other situations, the test circuit 104 may test the operation of the MEMS inertial sensor 100 when it is being subjected to inertial forces. In any case, the response signal represents the response of the MEMS inertial sensor to the received input, whether it is a test signal, inertial force, noise or other spurious signal, or any combination thereof.

試験信号に対する応答の検出を防止するために、いくつかの実施形態では、応答信号は、エンドユーザに提供される前にノッチフィルタ121でフィルタ処理されてもよい。ノッチフィルタ121は、試験信号の基本周波数をほぼ中心とする阻止帯域を呈してもよい。それゆえ、ノッチフィルタ121は、試験信号を受信するための入力、および試験信号の基本周波数に基づいて阻止帯域の周波数を設定する回路を含んでもよい。 In some embodiments, the response signal may be filtered by the notch filter 121 before being provided to the end user to prevent detection of the response to the test signal. The notch filter 121 may exhibit a blocking band approximately centered on the fundamental frequency of the test signal. Therefore, the notch filter 121 may include an input for receiving the test signal and a circuit that sets the frequency of the blocking band based on the fundamental frequency of the test signal.

いくつかの実施形態では、混合器116は、応答信号および同相基準信号を受信および混合(例えば、乗算)する。同相基準信号は、試験信号に対して実質的に同相である(または、試験信号が疑似乱数列を含む場合、それと相関する)。例えば、同相基準信号は、試験信号に対して−π/30〜π/30、−π/20〜π/20、−π/10〜π/10、またはこのような範囲内の任意の範囲の位相差を有してもよい。同相信号発生器112を使用して、同相基準信号を、試験信号と実質的に同相にしてもよい。同相信号発生器112は、例えば位相同期ループを含んでもよい。いくつかの実施形態では、しかしながら、fの値は十分に低くてもよく、使用位相同期器ではなく単純な導電線で十分であり得る。これらの実施形態のいくつかでは、試験回路104は、試験回路の内側を伝播する信号が軽微な相変化を呈するように、集中定数回路として振る舞ってもよい。試験回路104が必ず集中定数回路として振る舞うように、少なくともいくつかの実施形態では、fの値は、5KHzより低くなるように選択されてもよい。しかしながら、他の実施形態では、1/f雑音などの低周波雑音との干渉を防止するために、試験回路104をより高い周波数で動作させることが望ましい場合がある。欠点は、信号が試験回路104の内側を伝播するにつれて、信号の位相が変化し得ることである。これらの実施形態では、同相信号発生器112は、試験信号と同相応答信号との間の望ましい位相関係を確立してもよい。 In some embodiments, the mixer 116 receives and mixes (eg, multiplies) the response signal and the common mode reference signal. The homeomorphic reference signal is substantially homeomorphic to the test signal (or correlates with the test signal if it contains a pseudo-random sequence). For example, the common mode reference signal is −π / 30 to π / 30, −π / 20 to π / 20, −π / 10 to π / 10, or any range within such a range with respect to the test signal. It may have a phase difference. The in-phase signal generator 112 may be used to bring the in-phase reference signal substantially in-phase with the test signal. The in-phase signal generator 112 may include, for example, a phase-locked loop. In some embodiments, however, the value of f 1 may be low enough that a simple conductive wire may be sufficient rather than the phase-locked loop used. In some of these embodiments, the test circuit 104 may behave as a lumped constant circuit such that the signal propagating inside the test circuit exhibits a slight phase change. As the test circuit 104 behaves as always lumped constant circuit, in at least some embodiments, the value of f 1 may be selected to be lower than 5 KHz. However, in other embodiments, it may be desirable to operate the test circuit 104 at a higher frequency in order to prevent interference with low frequency noise such as 1 / f noise. The disadvantage is that the phase of the signal can change as it propagates inside the test circuit 104. In these embodiments, the common mode signal generator 112 may establish a desirable phase relationship between the test signal and the common mode response signal.

いくつかの実施形態では、混合器118は、応答信号および直交基準信号を受信および混合する。直交基準信号は、試験信号に対して実質的に直交するように(または、試験信号が疑似乱数列である場合、それに対して無相関になるように)構成される。例えば、直交基準信号は、絶対値で、試験信号に対してπ/2−π/30〜π/2+π/30、π/2−π/20〜π/2+π/20、π/2−π/10〜π/2+π/10、またはこのような範囲内の任意の範囲の位相差を有してもよい。直交信号発生器114は、例えば移相器を使用して、試験信号の位相を、他の可能な値のなかでも、π/2−π/30〜π/2+π/30、−(π/2−π/30)〜−(π/2+π/30)、π/2−π/20〜π/2+π/20、−(π/2−π/20)〜−(π/2+π/20)、π/2−π/10〜π/2+π/10、または−(π/2−π/10)〜−(π/2+π/10)だけシフトさせるように構成されてもよい。 In some embodiments, the mixer 118 receives and mixes the response signal and the orthogonal reference signal. The orthogonal reference signal is configured to be substantially orthogonal to the test signal (or, if the test signal is a pseudo-random sequence, uncorrelated to it). For example, the orthogonal reference signal is an absolute value of π / 2-π / 30 to π / 2 + π / 30, π / 2-π / 20 to π / 2 + π / 20, π / 2-π /. It may have a phase difference of 10 to π / 2 + π / 10, or any range within such a range. The orthogonal signal generator 114 uses, for example, a phase shifter to set the phase of the test signal to π / 2-π / 30 to π / 2 + π / 30, − (π / 2), among other possible values. −π / 30) to − (π / 2 + π / 30), π / 2-π / 20 to π / 2 + π / 20, − (π / 2-π / 20) to − (π / 2 + π / 20), π It may be configured to shift by / 2-π / 10-π / 2 + π / 10 or − (π / 2-π / 10) to − (π / 2 + π / 10).

いくつかの実施形態では、応答信号および同相基準信号を混合して得られた信号(同相応答信号と呼ぶ)、ならびに応答信号および直交基準信号を混合して得られた信号(直交応答信号と呼ぶ)が、入力として応答分析器122に提供される。応答分析器122は、受信した信号がMEMS慣性センサ100の特性の確かなしるしとして使用されるべきか判定する。例えば、応答分析器122は、MEMS慣性センサ100の試験信号に対する応答が、周波数fにおけるスプリアス信号または機械的刺激(例えば、雑音または他の種類の信号)の存在によって損なわれているか判定してもよい。MEMS慣性センサ100の試験信号に対する応答が損なわれていないと判定された場合、応答分析器122は、MEMS慣性センサ100の特性(複数可)を評価してもよい。 In some embodiments, a signal obtained by mixing a response signal and an in-phase reference signal (referred to as an in-phase response signal), and a signal obtained by mixing a response signal and an orthogonal reference signal (referred to as an orthogonal response signal). ) Is provided to the response analyzer 122 as an input. The response analyzer 122 determines whether the received signal should be used as a sure sign of the characteristics of the MEMS inertial sensor 100. For example, response analyzer 122, the response to the test signal of the MEMS inertial sensor 100, spurious signals or mechanical stimulation in the frequency f 1 (for example, noise or other types of signals) to determine whether the impaired by the presence of May be good. If it is determined that the response of the MEMS inertial sensor 100 to the test signal is not impaired, the response analyzer 122 may evaluate the characteristics (s) of the MEMS inertial sensor 100.

いくつかの実施形態では、直交応答信号は、応答信号が試験信号以外のスプリアス信号によって影響されているか判定するために使用されてもよい。試験信号と実質的に直交するので、直交応答信号の振幅は、試験信号が印加されたがシステム内にスプリアス信号が存在しない場合、軽微である。したがって、直交応答信号の振幅が著しい(例えば、特定の閾値より高い)場合、そのシステム内にスプリアス信号が存在する可能性が高い。同時に、試験信号と同相であるので、同相応答信号は、MEMS慣性センサの試験信号に対する応答を直接反映する。同相応答信号は、スプリアス信号の存在によっても影響され得る。したがって、直交応答信号を使用して、システムが実質的にスプリアス信号を不含であると判定された場合、同相応答信号は、MEMS慣性センサの特性(複数可)の尺度として使用されてもよい。例えば、同相応答信号は、MEMS慣性センサ100の加速度もしくは角運動に対する感度が許容可能な範囲内であるか評価するために、かつ/または試験の結果が使用されるべきか破棄されるべきか評価するために使用されてもよい。 In some embodiments, the orthogonal response signal may be used to determine if the response signal is influenced by a spurious signal other than the test signal. Since it is substantially orthogonal to the test signal, the amplitude of the orthogonal response signal is negligible when the test signal is applied but there is no spurious signal in the system. Therefore, if the amplitude of the orthogonal response signal is significant (eg, higher than a particular threshold), it is likely that a spurious signal is present in the system. At the same time, since it is in-phase with the test signal, the in-phase response signal directly reflects the response of the MEMS inertial sensor to the test signal. Homeomorphic response signals can also be affected by the presence of spurious signals. Therefore, if the orthogonal response signal is used and the system is determined to be substantially free of spurious signals, the common mode response signal may be used as a measure of the characteristics (s) of the MEMS inertial sensor. .. For example, the common mode response signal is used to evaluate whether the sensitivity of the MEMS inertial sensor 100 to acceleration or angular motion is within an acceptable range, and / or whether the test results should be used or discarded. May be used to

図1に示されていないが、試験回路104は、複数の信号発生器110を含んでもよく、各信号発生器によって生成される試験信号の基本周波数は、他の試験信号の基本周波数とは異なる。このようにして、MEMS慣性センサ100は、異なる周波数を有する複数の試験信号によって試験されてもよい。利点は、たとえ1つの試験信号が同じ周波数におけるスプリアス信号の存在によって損なわれていても、全ての試験信号の複数の周波数の全てにおいて環境内にスプリアス信号が存在する可能性は相当に低いことである。これらの実施形態のいくつかでは、試験回路104は、生成される試験信号のそれぞれについて混合器116および混合器118を含んでもよい。様々な周波数における同相および直交応答信号が、応答分析器122に提供されてもよい。応答分析器122は、それぞれの受信した周波数において、スプリアス信号の存在または不在を検出してもよい。著しいスプリアス信号が存在しないと応答分析器122が判定した周波数(複数可)は、対応する同相応答信号を使用してMEMS慣性センサを試験するために使用されてもよい。 Although not shown in FIG. 1, the test circuit 104 may include a plurality of signal generators 110, and the fundamental frequency of the test signal generated by each signal generator is different from the fundamental frequency of the other test signals. .. In this way, the MEMS inertial sensor 100 may be tested with a plurality of test signals having different frequencies. The advantage is that even if one test signal is compromised by the presence of spurious signals at the same frequency, it is highly unlikely that there will be spurious signals in the environment at all multiple frequencies of all test signals. is there. In some of these embodiments, the test circuit 104 may include a mixer 116 and a mixer 118 for each of the generated test signals. Homeomorphic and orthogonal response signals at various frequencies may be provided to the response analyzer 122. The response analyzer 122 may detect the presence or absence of a spurious signal at each received frequency. The frequency (s) determined by the response analyzer 122 that no significant spurious signal is present may be used to test the MEMS inertial sensor with the corresponding common mode response signal.

本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態による、MEMS慣性センサの動作を試験するための例示的なプロセス300を図3に示す。いくつかの実施形態では、プロセス300は、図1に関連して説明した例示的なシステム100によって遂行されてもよい。プロセス300は、MEMS慣性センサが配備された環境内で遂行されてもよい。例えば、プロセス300は、車両内または工業機械内に配備されたシステムによって遂行されてもよい。プロセス300は、行為302で開始され、MEMS慣性センサが、試験信号を使用して刺激される。試験信号は、(例えば、加速度および/または角速度によって)MEMS慣性センサを模擬するように、試験回路によって生成されてもよい。いくつかの実施形態では、図1の信号発生器110が、行為302の試験信号を生成してもよい。 FIG. 3 shows an exemplary process 300 for testing the operation of a MEMS inertial sensor according to some embodiments of the techniques described herein. In some embodiments, process 300 may be performed by the exemplary system 100 described in connection with FIG. Process 300 may be performed in an environment where a MEMS inertial sensor is deployed. For example, process 300 may be performed by a system deployed in the vehicle or in an industrial machine. Process 300 is initiated at act 302, where the MEMS inertial sensor is stimulated using the test signal. The test signal may be generated by the test circuit to simulate a MEMS inertial sensor (eg, by acceleration and / or angular velocity). In some embodiments, the signal generator 110 of FIG. 1 may generate a test signal for action 302.

行為304において、刺激に応答してMEMS慣性センサから応答信号が受信される。行為306において、同相応答信号が、応答信号および同相基準信号を使用して生成される。例えば、同相応答信号は、応答信号および同相基準信号を混合することによって生成されてもよい。同相基準信号は、試験信号と実質的に同相であってもよい。いくつかの実施形態では、図1の混合器116が、行為306の同相応答信号を生成してもよい。 In action 304, a response signal is received from the MEMS inertial sensor in response to the stimulus. In act 306, the common mode response signal is generated using the response signal and the common mode reference signal. For example, the common mode response signal may be generated by mixing the response signal and the common mode reference signal. The common mode reference signal may be substantially in phase with the test signal. In some embodiments, the mixer 116 of FIG. 1 may generate a homeomorphic response signal for action 306.

行為308において、直交応答信号が、応答信号および直交基準信号を使用して生成される。例えば、直交応答信号は、応答信号および直交基準信号を混合することによって生成されてもよい。直交基準信号は、試験信号と実質的に直交してもよい。いくつかの実施形態では、図1の混合器118が、行為306の直交応答信号を生成してもよい。 In act 308, an orthogonal response signal is generated using the response signal and the orthogonal reference signal. For example, the orthogonal response signal may be generated by mixing the response signal and the orthogonal reference signal. The orthogonal reference signal may be substantially orthogonal to the test signal. In some embodiments, the mixer 118 of FIG. 1 may generate an orthogonal response signal for action 306.

行為310において、MEMS慣性センサの刺激に対する応答が、MEMS慣性センサの特性(複数可)の確かな尺度として使用されるべきか判定されてもよい。例えば、直交応答信号に基づいて、同相応答信号が、MEMS慣性センサの特性(複数可)を評価するための尺度として使用されるべきか判定されてもよい。事実上、行為310は、自己試験システム内にスプリアス刺激が存在するか示してもよい。以下でさらに論じるように、少なくともいくつかの実施形態では、この判定は、直交応答信号の振幅が閾値より高いか閾値より低いか評価することによって遂行されてもよい。いくつかの実施形態では、図1の応答分析器122が、同相応答信号がMEMS慣性センサの特性(複数可)を評価するための尺度として使用されるべきか判定してもよい。 In action 310, it may be determined whether the response of the MEMS inertial sensor to the stimulus should be used as a reliable measure of the characteristics (s) of the MEMS inertial sensor. For example, based on the orthogonal response signal, it may be determined whether the common mode response signal should be used as a measure for evaluating the characteristics (s) of the MEMS inertial sensor. In effect, Act 310 may indicate the presence of spurious stimuli within the self-test system. As further discussed below, in at least some embodiments, this determination may be accomplished by assessing whether the amplitude of the orthogonal response signal is above or below the threshold. In some embodiments, the response analyzer 122 of FIG. 1 may determine whether the common mode response signal should be used as a measure for evaluating the characteristics (s) of the MEMS inertial sensor.

同相応答信号がMEMS慣性センサの特性の尺度として使用されるべきではないと判定されると、プロセス300は、行為302〜310のサイクルを繰り返し続けてもよい。サイクルは、例えば、同相応答信号がMEMS慣性センサの特性(複数可)の尺度として使用されるべきであると判定されるまで、続いてもよい。任意選択で、行為311において、自己試験の結果が信じ難いことを示す出力信号が出力されてもよい。出力信号は、自己試験の結果が無視されるべきであることを示してもよい。 If it is determined that the common mode response signal should not be used as a measure of the characteristics of the MEMS inertial sensor, process 300 may continue to repeat the cycles of actions 302-310. The cycle may continue, for example, until it is determined that the common mode response signal should be used as a measure of the characteristics (s) of the MEMS inertial sensor. Optionally, in act 311 an output signal indicating that the result of the self-test is unbelievable may be output. The output signal may indicate that the results of the self-test should be ignored.

同相応答信号がMEMS慣性センサの特性の尺度として使用されるべきであると判定されると、プロセス300は行為312に進み、MEMS慣性センサの特性(複数可)が評価される。評価され得るMEMS慣性センサの特性としては、加速度計の特定の方向もしくは特定の軸を中心とする加速度に対する感度、ジャイロスコープの特定の軸を中心とする角運動速度に対する感度、および/またはMEMS慣性センサの帯域もしくはダイナミックレンジが挙げられるが、これらに限定されない。例えば、MEMS慣性センサの特性が、その特性の許容可能な最小値を表す閾値より大きいかが判定されてもよく、許容可能な最小値は、ユーザによって設定されてもよく、または文脈に応じてシステムによって自動的に設定されてもよい。他の実施形態では、MEMS慣性センサの特性を一組の閾値に比較してもよい。特性の値が閾値に対してどこに位置するかに応じて、システムは、MEMS慣性センサが所望の挙動から逸脱している程度をユーザに通知してもよい。 If it is determined that the common mode response signal should be used as a measure of the characteristics of the MEMS inertial sensor, process 300 proceeds to action 312 and the characteristics of the MEMS inertial sensor (s) are evaluated. The characteristics of the MEMS inertial sensor that can be evaluated include the sensitivity of the accelerometer to acceleration centered on a specific direction or axis, the sensitivity of the gyroscope to angular motion speed centered on a specific axis, and / or MEMS inertia. The band or dynamic range of the sensor includes, but is not limited to. For example, it may be determined whether the characteristic of the MEMS inertial sensor is greater than the threshold representing the acceptable minimum value of the characteristic, the acceptable minimum value may be set by the user, or the system depending on the context. May be set automatically by. In other embodiments, the characteristics of the MEMS inertial sensor may be compared to a set of thresholds. Depending on where the value of the property is relative to the threshold, the system may notify the user to what extent the MEMS inertial sensor deviates from the desired behavior.

MEMS慣性センサの特性が申し分ないものである、例えば閾値より高いと判定されると、プロセス300は、行為313に移行してもよく、または完了してもよい。行為313において、少なくとも行為312において評価された特性に関してMEMS慣性センサが適切に機能していることを示す信号が出力される。しかしながら、MEMS慣性センサの特性が不満足なものである、例えば閾値より低いと判定されると、プロセス300は行為314に移行してもよく、MEMS慣性センサが誤動作していることを示す通知信号が出力されてもよい(例えば、表示されてもよく、または他の方法でユーザに伝達されてもよい)。いくつかの実施形態では、プロセス300は、例えば0〜10の物差し(または他の任意の好適な物差し)で、MEMS慣性センサがその特性に関してどの程度誤動作しているかユーザに通知してもよい。これは、例えば、同相応答信号を一組の閾値に比較することによって遂行されてもよい。次いで、プロセス300は終了してもよく、または別のサイクルを遂行してもよい。 If it is determined that the characteristics of the MEMS inertial sensor are satisfactory, eg, higher than the threshold, process 300 may transition to or complete action 313. At action 313, a signal is output indicating that the MEMS inertial sensor is functioning properly with respect to the characteristics evaluated at least in action 312. However, if it is determined that the characteristics of the MEMS inertial sensor are unsatisfactory, eg, lower than the threshold, process 300 may transition to action 314, with a notification signal indicating that the MEMS inertial sensor is malfunctioning. It may be output (eg, it may be displayed, or it may be communicated to the user in some other way). In some embodiments, process 300 may notify the user how malfunctioning the MEMS inertial sensor is with respect to its properties, eg, with a 0-10 measuring rod (or any other suitable measuring rod). This may be accomplished, for example, by comparing the common mode response signal to a set of thresholds. Process 300 may then be terminated or another cycle may be performed.

プロセス300は、任意の好適な種類の試験信号を使用して遂行してもよい。いくつかの実施形態では、プロセス300は、異なる周波数の複数の試験信号を使用して遂行してもよい。全ての周波数が同時にスプリアス信号によって妨害される可能性は単一周波数スキームよりも低いので、このようにして、方法の信頼性は向上され得る。 Process 300 may be performed using any suitable type of test signal. In some embodiments, process 300 may be performed using multiple test signals of different frequencies. In this way, the reliability of the method can be improved, as it is less likely that all frequencies will be disturbed by spurious signals at the same time than in a single frequency scheme.

いくつかの実施形態では、応答分析器122は、直交応答信号の振幅を閾値に比較することによって、同相応答信号がMEMS慣性センサの特性(複数可)を評価するための確かな尺度として使用されるべきか判定してもよい。例えば、直交応答信号の振幅が閾値より小さい場合、応答分析器122は、試験信号(複数可)の周波数(複数可)に著しく妨害するスプリアス信号が存在しないと判定してもよい。ゆえに、この同相応答信号は、MEMS慣性センサの特性(複数可)を評価するための確かな尺度として使用されるべきである。他方において、直交信号の振幅が閾値より大きい場合、応答分析器122は、スプリアス信号が試験回路104の動作を妨害していると、かつこの同相応答信号はMEMS慣性センサの特性(複数可)を確実に評価するために使用されるべきではないと判定してもよい。 In some embodiments, the response analyzer 122 is used as a reliable measure for assessing the characteristics (s) of the MEMS inertial sensor by comparing the amplitude of the orthogonal response signal to a threshold. You may decide whether it should be. For example, if the amplitude of the orthogonal response signal is smaller than the threshold, the response analyzer 122 may determine that there is no spurious signal that significantly interferes with the frequency (s) of the test signal (s). Therefore, this common mode response signal should be used as a solid measure for assessing the characteristics (s) of the MEMS inertial sensor. On the other hand, if the amplitude of the orthogonal signal is greater than the threshold, the response analyzer 122 states that the spurious signal is interfering with the operation of the test circuit 104, and that the in-phase response signal is characteristic of the MEMS inertial sensor (s). It may be determined that it should not be used for reliable evaluation.

いくつかの実施形態では、MEMS慣性センサの特性(複数可)を評価するために同相応答を信頼して使用することができると判定されるとき、この評価は、同相応答信号の振幅を閾値に比較することによって遂行されてもよい。この閾値は、評価されているMEMS慣性センサの特性の許容可能な最小値を表してもよい。したがって、同相慣性センサの振幅が閾値より小さい場合、応答分析器122は、MEMS慣性センサが誤動作していると判定してもよく、かつ少なくともいくつかの実施形態では、ユーザに通知してもよい。他方において、同相慣性センサの振幅が閾値より大きいとき、応答分析器122は、MEMS慣性センサがその特性に関して適切に機能していると判定してもよい。いくつかの実施形態では、同相応答信号の振幅を複数の閾値と比較してもよい。結果は、MEMS慣性センサが誤動作している程度を示してもよい。 In some embodiments, when it is determined that the common mode response can be used reliably to evaluate the characteristics (s) of the MEMS inertial sensor, this evaluation uses the amplitude of the common mode response signal as a threshold. It may be accomplished by comparison. This threshold value may represent the acceptable minimum value of the characteristics of the MEMS inertial sensor being evaluated. Therefore, if the amplitude of the homeomorphic inertial sensor is less than the threshold, the response analyzer 122 may determine that the MEMS inertial sensor is malfunctioning and, at least in some embodiments, may notify the user. .. On the other hand, when the amplitude of the homeomorphic inertial sensor is greater than the threshold, the response analyzer 122 may determine that the MEMS inertial sensor is functioning properly with respect to its properties. In some embodiments, the amplitude of the common mode response signal may be compared to multiple thresholds. The result may indicate the degree to which the MEMS inertial sensor is malfunctioning.

図4は、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態による、応答分析器122の例示的な実装を示す。この例では、応答分析器122は、比較器402および404、ならびに論理ユニット410を含む。比較器404は入力として直交応答信号および閾値t1を受信し、直交応答信号の振幅と閾値との比較に基づいて出力を生成してもよい。比較器404の出力は、例えば、直交応答信号の振幅が閾値t1より大きいか小さいかに依存してもよい。いくつかの実施形態では、比較器404の出力が、直交応答信号の振幅が閾値t1より大きいことを示すと、論理ユニット410は、試験回路104によって生成された結果が試験信号の周波数において損なわれていると判定してもよい。 FIG. 4 shows an exemplary implementation of the response analyzer 122 according to some embodiments of the techniques described herein. In this example, the response analyzer 122 includes comparators 402 and 404, as well as logic unit 410. The comparator 404 may receive the orthogonal response signal and the threshold value t1 as inputs and generate an output based on the comparison between the amplitude of the orthogonal response signal and the threshold value. The output of the comparator 404 may depend, for example, on whether the amplitude of the orthogonal response signal is greater than or less than the threshold t1. In some embodiments, when the output of the comparator 404 indicates that the amplitude of the orthogonal response signal is greater than the threshold t1, the logic unit 410 compromises the results produced by the test circuit 104 at the frequency of the test signal. It may be determined that it is.

比較器402は入力として同相応答信号および閾値t2を受信し、同相応答信号の振幅と閾値t2との比較に基づいて出力を生成してもよい。比較器402の出力は、例えば、同相応答信号の振幅が閾値t2より大きいか小さいかに依存してもよい。いくつかの実施形態では、比較器402の出力が、同相応答信号の振幅が閾値t2より小さいことを示すと、論理ユニット410は、MEMS慣性センサが誤動作していると判定してもよい。 The comparator 402 may receive the common mode response signal and the threshold value t2 as inputs and generate an output based on the comparison between the amplitude of the common mode response signal and the threshold value t2. The output of the comparator 402 may depend, for example, on whether the amplitude of the common mode response signal is greater than or less than the threshold t2. In some embodiments, the logic unit 410 may determine that the MEMS inertial sensor is malfunctioning if the output of the comparator 402 indicates that the amplitude of the common mode response signal is less than the threshold t2.

論理ユニット410が比較器402および404の出力を処理し得る様式を図5の表に描く。示すように、直交応答信号の振幅が閾値t1より大きいとき(同相応答信号の振幅が閾値t2より大きいか小さいかにかかわらず)、論理ユニット410は、対応する試験信号の周波数において、試験がスプリアス信号の存在によって損なわれていると判定するようにプログラムされてもよい。 The mode in which the logic unit 410 can handle the outputs of the comparators 402 and 404 is depicted in the table of FIG. As shown, when the amplitude of the orthogonal response signal is greater than or equal to the threshold t1 (whether the amplitude of the in-phase response signal is greater than or less than the threshold t2), the logic unit 410 is tested at the corresponding test signal frequency. It may be programmed to determine that it is impaired by the presence of the signal.

論理ユニット410は、直交応答信号の振幅が閾値t1より小さく、かつ同相応答信号の振幅が閾値t2より大きい場合、MEMS慣性センサは適切に機能していると判定するようにさらにプログラムされてもよい。他方において、論理ユニット410は、直交応答信号の振幅が閾値t1より小さく、かつ同相応答信号の振幅が閾値t2より小さい場合、MEMS慣性センサは誤動作していると判定するようにプログラムされてもよい。 The logic unit 410 may be further programmed to determine that the MEMS inertial sensor is functioning properly if the amplitude of the orthogonal response signal is less than the threshold t1 and the amplitude of the in-phase response signal is greater than the threshold t2. .. On the other hand, the logic unit 410 may be programmed to determine that the MEMS inertial sensor is malfunctioning if the amplitude of the orthogonal response signal is less than the threshold t1 and the amplitude of the in-phase response signal is less than the threshold t2. ..

本明細書に記載の技術の態様は1つ以上の利点を提供し得、そのいくつかはすでに上で説明されている。このような利点のいくつかの例をこれより説明する。全ての態様および実施形態が、これより説明する利点の全てを必ずしも提供するわけではないことが理解されるべきである。さらに、本明細書に記載の技術の態様は、これより説明する利点のほか、追加的な利点を提供し得ることが理解されるべきである。 Aspects of the techniques described herein may provide one or more advantages, some of which have already been described above. Some examples of such advantages are described below. It should be understood that not all embodiments and embodiments provide all of the benefits described below. Moreover, it should be understood that aspects of the techniques described herein may provide additional benefits in addition to the benefits described below.

本明細書に記載の技術の態様は、MEMS慣性センサの自己試験を行う方法を提供する。例えば、いくつかの実施形態は、MEMS慣性センサが適切に機能しているか誤動作しているかを、またはいくつかの実施形態ではMEMS慣性センサが誤動作している程度を、評価するように構成される。本明細書に記載の技術の他の態様は、自己試験の結果が例えばスプリアス信号の存在のため無視されるべきか、または信頼されるべきかのしるしを提供する。 Aspects of the techniques described herein provide a method of self-testing a MEMS inertial sensor. For example, some embodiments are configured to assess whether the MEMS inertial sensor is functioning properly or malfunctioning, or, in some embodiments, the degree to which the MEMS inertial sensor is malfunctioning. .. Other aspects of the technique described herein provide an indication of whether the results of self-testing should be ignored or trusted, eg, due to the presence of spurious signals.

100 慣性センサ
101 静電力トランスデューサ
104 試験回路
110 信号発生器
111 加算器
112 同相信号発生器
114 直交信号発生器
116 混合器
118 混合器
121 ノッチフィルタ
122 応答分析器
200 ジャイロスコープ
202 プルーフマス
204 センサ
210 固定フレーム
212 カプラ
214 アンカ
220 固定電極
222 自由端ビーム
240 加速度計
242 基板
250 プルーフマス
252 アンカ
254 電極
402 比較器
404 比較器
410 論理ユニット
100 Inertivity sensor 101 Electrostatic force transducer 104 Test circuit 110 Signal generator 111 Adder 112 In-phase signal generator 114 Orthogonal signal generator 116 Mixer 118 Mixer 121 Notch filter 122 Response analyzer 200 Gyroscope 202 Proof mass 204 Sensor 210 Fixed frame 212 Coupler 214 Anchor 220 Fixed electrode 222 Free end beam 240 Accelerometer 242 Board 250 Proof mass 252 Anchor 254 Electrode 402 Transducer 404 Transducer 410 Logic unit

Claims (20)

微小電気機械システム(MEMS)慣性センサを試験するためのシステムであって、
試験回路であって、
信号発生器によって生成された試験信号に対する前記MEMS慣性センサの応答を表す応答信号を受信し、
前記試験信号に対して同相である同相基準信号を前記応答信号と混合することによって同相応答信号を生成し、
前記応答信号を前記試験信号に対して直交である直交基準信号と混合することによって直交応答信号を生成し、
前記直交応答信号に基づいて、前記同相応答信号が前記MEMS慣性センサの特性を評価するために使用されるべきか判定し、
前記同相応答信号が前記MEMS慣性センサの前記特性を評価するために使用されるべきであると判定された場合、前記同相応答信号を使用して前記MEMS慣性センサの前記特性を評価するように構成された、試験回路、を備えた、システム。
Microelectromechanical system (MEMS) A system for testing inertial sensors.
It ’s a test circuit,
Upon receiving a response signal representing the response of the MEMS inertial sensor to the test signal generated by the signal generator,
An in-phase response signal is generated by mixing an in-phase reference signal that is in-phase with the test signal with the response signal.
An orthogonal response signal is generated by mixing the response signal with an orthogonal reference signal that is orthogonal to the test signal.
Based on the orthogonal response signal, it is determined whether the common mode response signal should be used to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor.
When it is determined that the in-phase response signal should be used to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor, the in-phase response signal is configured to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor. A system, equipped with a test circuit.
前記同相基準信号および前記試験信号が互いに対して実質的に同相である、請求項1に記載のシステム。 The system according to claim 1, wherein the in-phase reference signal and the test signal are substantially in-phase with each other. 前記直交基準信号および前記試験信号を互いに対して実質的に直交させるように構成された移相器をさらに含む、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, further comprising a phase shifter configured to make the orthogonal reference signal and the test signal substantially orthogonal to each other. 前記試験回路が比較器を含み、前記試験回路が、少なくとも部分的に第1の比較器で前記直交応答信号の振幅を閾値振幅と比較することによって、前記同相応答信号が前記MEMS慣性センサの特性を評価するために使用されるべきか判定するように構成された、請求項1に記載のシステム。 The test circuit comprises a comparator, and the test circuit at least partially compares the amplitude of the orthogonal response signal with the threshold amplitude in the first comparator so that the in-phase response signal is characteristic of the MEMS inertial sensor. The system of claim 1, configured to determine if it should be used to evaluate. 前記直交応答信号に基づいて、前記同相応答信号が前記MEMS慣性センサの前記特性を評価するために使用されるべきではないと判定された場合、前記試験回路が、自己試験の結果は無視されるべきであると示す通知信号を出力するようにさらに構成され得る、請求項1に記載のシステム。 If it is determined based on the orthogonal response signal that the in-phase response signal should not be used to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor, the test circuit ignores the results of the self-test. The system of claim 1, further configured to output a notification signal indicating that it should be. 前記試験信号を使用して前記MEMS慣性センサを刺激するように構成された信号発生器をさらに備えた、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, further comprising a signal generator configured to stimulate the MEMS inertial sensor using the test signal. 微小電気機械システム(MEMS)慣性センサを試験するための方法であって、
試験信号を使用して前記MEMS慣性センサを刺激することと、
前記刺激に応答して前記MEMS慣性センサから応答信号を受信することと、
前記応答信号および前記試験信号に対して同相である同相基準信号を使用して同相応答信号を生成することと、
前記応答信号および前記試験信号に対して直交である直交基準信号を使用して直交応答信号を生成することと、
前記直交応答信号に基づいて、前記同相応答信号が前記MEMS慣性センサの特性を評価するために使用されるべきか判定することと、
前記同相応答信号が前記MEMS慣性センサの前記特性を評価するために使用されるべきであると判定された場合、前記同相応答信号を使用して前記MEMS慣性センサの前記特性を評価することと、を含む、方法。
A method for testing microelectromechanical system (MEMS) inertial sensors.
Using the test signal to stimulate the MEMS inertial sensor,
Receiving a response signal from the MEMS inertial sensor in response to the stimulus
Using an in- phase reference signal that is in-phase with respect to the response signal and the test signal to generate an in-phase response signal,
Using an orthogonal reference signal that is orthogonal to the response signal and the test signal to generate an orthogonal response signal,
Based on the orthogonal response signal, determining whether the common mode response signal should be used to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor.
When it is determined that the in-phase response signal should be used to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor, the in-phase response signal is used to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor. Including methods.
前記同相基準信号および前記試験信号を互いに対して実質的に同相にすることをさらに含む、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, further comprising making the in-phase reference signal and the test signal substantially in-phase with each other. 前記直交基準信号および前記試験信号を互いに対して実質的に直交させることをさらに含む、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, further comprising making the orthogonal reference signal and the test signal substantially orthogonal to each other. 前記直交応答信号に基づいて、前記同相応答信号が前記MEMS慣性センサの特性を評価するために使用されるべきか判定することが、前記直交応答信号の振幅が第1の閾値振幅より低いか判定することを含む、請求項7に記載の方法。 Determining whether the in-phase response signal should be used to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor based on the orthogonal response signal determines if the amplitude of the orthogonal response signal is lower than the first threshold amplitude. 7. The method of claim 7, comprising doing so. 前記同相応答信号を使用して前記MEMS慣性センサの特性を評価することが、同相応答信号の振幅が第2の閾値振幅より高いか判定することを含む、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, wherein evaluating the characteristics of the MEMS inertial sensor using the in-phase response signal comprises determining whether the amplitude of the in-phase response signal is higher than the second threshold amplitude. 前記同相応答信号の前記振幅が前記第2の閾値振幅より高くない場合、前記方法は、前記MEMS慣性センサが誤動作していることを示す通知信号を出力することをさらに含む、請求項11に記載の方法。 11. The method of claim 11 further comprises outputting a notification signal indicating that the MEMS inertial sensor is malfunctioning if the amplitude of the common mode response signal is not greater than the second threshold amplitude. the method of. 前記MEMS慣性センサの前記特性が、MEMS加速度計の加速度に対する感度またはMEMSジャイロスコープの角運動に対する感度を含む、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, wherein the characteristics of the MEMS inertial sensor include sensitivity to acceleration of a MEMS accelerometer or sensitivity to angular motion of a MEMS gyroscope. 微小電気機械システム(MEMS)慣性センサを試験するためのシステムであって、
前記MEMS慣性センサと、
試験回路であって、
試験信号に応答して前記MEMS慣性信号から応答信号を受信し、
前記応答信号および前記試験信号に対して同相である同相基準信号を使用して同相応答信号を生成し、前記応答信号および前記試験信号に対して直交である直交基準信号を使用して直交応答信号を生成し、
前記直交応答信号に基づいて、前記同相応答信号が前記MEMS慣性センサの特性を評価するために使用されるべきか判定し、
前記同相応答信号が前記MEMS慣性センサの前記特性を評価するために使用されるべきであると判定された場合、前記同相応答信号を使用して前記MEMS慣性センサの前記特性を評価するように構成された、試験回路と、を備えた、システム。
Microelectromechanical system (MEMS) A system for testing inertial sensors.
With the MEMS inertial sensor
It ’s a test circuit,
In response to the test signal, a response signal is received from the MEMS inertial signal,
An in-phase response signal is generated using the response signal and an in- phase reference signal that is in phase with the test signal, and an orthogonal response signal is used using the orthogonal reference signal that is orthogonal to the response signal and the test signal. To generate
Based on the orthogonal response signal, it is determined whether the common mode response signal should be used to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor.
When it is determined that the in-phase response signal should be used to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor, the in-phase response signal is configured to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor. A system with a test circuit and.
前記試験回路が、前記同相基準信号および前記試験信号を互いに対して実質的に同相にするようにさらに構成された、請求項14に記載のシステム。 14. The system of claim 14, wherein the test circuit is further configured to make the in-phase reference signal and the test signal substantially in-phase with each other. 前記試験回路が、前記直交基準信号および前記試験信号を互いに対して実質的に直交させるようにさらに構成された、請求項14に記載のシステム。 14. The system of claim 14, wherein the test circuit is further configured to make the orthogonal reference signal and the test signal substantially orthogonal to each other. 前記試験回路が、前記直交応答信号に基づいて、少なくとも部分的に前記直交応答信号の振幅が第1の閾値振幅より低いか判定することによって、前記同相応答信号が前記MEMS慣性センサの特性を評価するために使用されるべきか判定するように構成された、請求項14に記載のシステム。 The in-phase response signal evaluates the characteristics of the MEMS inertial sensor by the test circuit determining at least in part whether the amplitude of the orthogonal response signal is lower than the first threshold amplitude based on the orthogonal response signal. 14. The system of claim 14, configured to determine if it should be used to. 前記試験回路が、少なくとも部分的に前記同相応答信号の振幅が第2の閾値振幅より高いか判定することによって、前記同相応答信号を使用して前記MEMS慣性センサの前記特性を評価するように構成された、請求項14に記載のシステム。 The test circuit is configured to evaluate the characteristics of the MEMS inertial sensor using the in-phase response signal by, at least in part, determining if the amplitude of the in-phase response signal is higher than the second threshold amplitude. The system according to claim 14. 試験回路が、前記同相応答信号の前記振幅が前記第2の閾値振幅より高くないと前記試験回路が判定した場合、前記MEMS慣性センサが誤動作していることを示す通知信号を出力するようにさらに構成された、請求項18に記載のシステム。 Further, when the test circuit determines that the amplitude of the in-phase response signal is not higher than the second threshold amplitude, it outputs a notification signal indicating that the MEMS inertial sensor is malfunctioning. The system according to claim 18, which is configured. 前記MEMS慣性センサの前記特性が、MEMS加速度計の加速度に対する感度またはMEMSジャイロスコープの角運動に対する感度を含む、請求項14に記載のシステム。 14. The system of claim 14, wherein said characteristics of the MEMS inertial sensor include sensitivity to acceleration of a MEMS accelerometer or sensitivity to angular motion of a MEMS gyroscope.
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